膜型モーフィング羽ばたき翼の空力弾性応答計測および数値解析

摘要

近年, 災害現場や危険地帯における監視・観測などを目的とした超小型飛翔体(MAV: Micro AirVehicle）の開発が盛hに行われており，生物の優れた飛行性能を模倣しようとして，羽ばたき型MAVに注目が集まっている．羽ばたき翼による効率的な揚力発生のためには，翼の上下運動であるフラッピング運動と，ねじれ運動であるフェザリング運動の2 つの運動（Fig. 1）を，適切な振幅と位相差で組み合わせることが重要である．しかし，これを機械的に実現しようとする場合，一般的に複雑なリンク機構などの駆動システムが必要となり，それは機体重量の増加を招く．また，最小のエネルギーで，羽ばたき翼を高速で駆動させるためには，翼自体の軽量化が必須となる．これらの理由から，ほとhどの羽ばたき機は，非常に軽量で柔軟な翼を採用し，翼の空力弾性変形による受動的なモーフィングを行うことで，駆動機構の簡単化を図ってきた[1–3]．実際の昆虫も，羽ばたき中に翼が変形していることが観察されている[4-5]．先行研究によると，打ち上げ・打ち下ろしの両ストロークで正キャンバとなるような変形状態を実現するモーフィングが成された場合，平板翼に比べて空力特性が大幅に向上することが報告されている[6]が，それを実現する構造システムについてはまだ明らかにされていない．米国AeroVironment社のNano Hummingbird[1]は，2 枚の羽ばたき翼によってホバリングなどの自由飛行に成功した，世界で最も優れた羽ばたき型MAV の1 つである．その翼は，薄い膜を前縁と翼根の2 本のロッドで支持する構造となっており，翼根ロッドは固定され，前縁ロッドのみをフラッピング方向に加振することで，受動的な空力弾性変形によってフェザリング運動を発生させる（Fig. 2）と同時に，キャンバも形成している[1]．このような膜型弾性羽ばたき翼の運動は，膜の張力変化に伴う構造非線形性を有する空力弾性現象であり，その設計手法は未だ確立されておらず，その開発は実験的な試行錯誤に依存してきた[1]．